ES2204599T3

ES2204599T3 - Composiciones de hidroxiapatita sinterizadas y procedimiento de preparacion de estas.

Info

Publication number: ES2204599T3
Application number: ES00929681T
Authority: ES
Inventors: Jonathan C. c/o Eastman Dental Institute KNOWLES; Garth W. The Institute of Materials HASTINGS; Jose D. Dep. Metallurgical Eng. DE SILVA SANTOS
Original assignee: University College London
Current assignee: University College London
Priority date: 1999-05-11
Filing date: 2000-05-09
Publication date: 2004-05-01
Anticipated expiration: 2020-05-09
Also published as: DE60004668D1; PT1189851E; ATE247611T1; GB9910928D0; GB2349888B; WO2000068164A1; EP1189851B1; GB2349888A; AU4768600A; EP1189851A1

Abstract

Un material de hidroxiapatita mejorada sinterizada que comprende hidroxiapatita (Ca10(PO4)6(OH)2), un vidrio biocompatible basado en Ca y P2O5 contenido en una cantidad de menos del 10 % en peso, basado en el peso de hidroxiapatita, y una fuente de iones F-.

Description

Composiciones de hidroxiapatita sintetizadas y procedimiento de preparación de éstas.

La presente invención se refiere a composiciones de hidroxiapatita y, en particular, a compuestos sinterizados de hidroxiapatita con un vidrio basado en fosfato.

La hidroxiapatita es un miembro del grupo de minerales de la apatita y tiene la fórmula química Ca_{10}(PO_{4})_{6}(OH)_{2}. Es esencialmente un fosfato de calcio que incluye hidróxido que tiene una relación de Ca:P de 1,67:1.

La hidroxiapatita tiene actualmente mucho más interés en el campo biomédico debido a su bioactividad bien establecida. Se ha utilizado, por ejemplo, en varios materiales dentales y en varias aplicaciones médicas, tales como articulaciones y huesos artificiales y como substancias de relleno óseas. No obstante, el material está limitado en su aplicación debido a sus propiedades mecánicas inadecuadas y por tanto, se ha utilizado principalmente para aplicaciones de baja carga.

Intentos por mejorar las propiedades mecánicas de la hidroxiapatita se han basado generalmente en el desarrollo de métodos de compactación y también en la elección y control del tamaño del grano. Se han sugerido previamente adyuvantes de sinterización para mejorar las propiedades mecánicas de hidroxiapatita, pero estos han sido materiales de una sola fase, tales como CuO y Al_{2}O_{3}.

El documento EP-A-577.342 describe composiciones que comprenden hidroxiapatita y un vidrio biocompatible basado en CaO y P_{2}O_{5}.

Hemos creado ahora composiciones de hidroxiapatita sinterizada que son biocompatibles y que han mejorado las propiedades mecánicas, y también un método para la preparación de estas composiciones.

Por consiguiente, la presente invención proporciona un material de hidroxiapatita mejorado sinterizado que comprende hidroxiapatita, un vidrio biocompatible basado en CaO y P_{2}O_{5} contenido en una cantidad de menos del 10% en peso basado en el peso de la hidroxiapatita y una fuente de iones F^{-}.

La presente invención proporciona también un método para la preparación de un material como se define anteriormente que comprende la sinterización de una mezcla de hidroxiapatita, un vidrio biocompatible basado en CaO y P_{2}O_{5}, y una fuente de iones F^{-} a una temperatura por encima de 1200ºC.

La presente invención proporciona adicionalmente un implante de hueso o substancia de relleno ósea que comprende un material como se define anteriormente.

La presente invención proporciona también una composición tal como un cemento óseo o cemento dental que comprende un material como se define anteriormente junto con un diluyente o soporte farmacéuticamente aceptable.

La presente invención proporciona adicionalmente un material o composición como se define anteriormente para uso en un método de tratamiento del cuerpo humano o animal por cirugía o terapia.

En la preparación del compuesto de la presente invención, el vidrio biocompatible actúa como un adyuvante de sinterización y está contenido en una cantidad de menos del 10% en peso, preferentemente, una cantidad desde 2,5 a 5% en peso, más preferentemente desde 2,5 a 4% en peso, basado en el peso total de la hidroxiapatita.

Por el término "vidrio biocompatible" como se utiliza aquí, se entiende que el vidrio no contiene iones metálicos, que no son tolerados por el cuerpo (excepto el Al^{3+}, siempre que la cantidad sea pequeña).

Los vidrios biocompatibles adecuados para uso en la presente invención son, por ejemplo, un vidrio CaO-P_{2}O_{5} de dos óxidos, un vidrio CaO-P_{2}O_{5}-Na_{2}O de tres óxidos, o un Ca-O-P_{2}O_{5}-Na_{2}O-Al_{2}O_{3} de cuatro óxidos. Otros componentes pueden ser incorporados en el vidrio biocompatible basado en CaO y P_{2}O_{5}, siempre que los metales del óxido utilizado en su formación sean compatibles con el cuerpo.

El vidrio biocompatible preferido para uso en la presente invención es un vidrio CaO-P_{2}O_{5} de dos óxidos. La relación en moles de CaO respecto a P_{2}O_{5} en estos vidrios puede variar dentro de los límites, pero es preferentemente de 20:80 a 80:20% en moles. Es particularmente preferido el vidrio que tiene una relación molar de CaO:P_{2}O_{5} de aproximadamente 50:50. Si CaF_{2}, o cualquier otro compuesto que contiene calcio, es utilizado como la fuente de iones F^{-}, la cantidad de Ca en este compuesto es añadida a la cantidad de CaO cuando se determina la relación anterior. Por tanto, utilizando un compuesto de este tipo, la cantidad de CaO en el vidrio puede reducirse, si es adecuado.

La fuente de iones F^{-} mejora las propiedades del material. En particular, mejora las propiedades de resistencia tales como la resistencia al plegamiento por flexión. Los materiales descritos en el documento EP-A-577.342 tienen una resistencia al plegamiento por flexión de hasta aproximadamente 80 a 90 MPa. No obstante, los materiales de la presente invención tienen una resistencia al plegamiento por flexión incrementada por ejemplo de aproximadamente 120 hasta 160 MPa. Esto permite que los materiales sean utilizados en técnicas quirúrgicas donde los materiales del documento EP-A-577.342 no podrían utilizarse, tales como en cirugía espinal.

La fuente de iones F^{-} no debería contener iones metálicos que no son tolerados por el cuerpo. Por ejemplo, existe un fluoruro de metal alcalino o fluoruro de metal alcalino-térreo, tal como CaF, NaF o MgF_{2}, preferentemente CaF_{2}.

La fuente de iones F^{-} puede estar contenida en el material de la presente invención en una cantidad de hasta, por ejemplo, 40% en peso, basado en el peso total de hidroxiapatita. Los propios iones F^{-} pueden estar contenidos en el material en una cantidad de hasta, por ejemplo, 20% en peso, preferentemente de hasta 5% en peso, más preferentemente, de 1 a 2,5% en peso, más preferentemente, de 1,25 a 2% en peso, basado en el peso de hidroxiapatita.

La fuente de iones F^{-} puede estar presente en el material o bien de forma separada o puede incorporarse en el vidrio biocompatible.

El peso total del vidrio y la fuente de iones F^{-} es, por ejemplo, hasta el 50% en peso, preferentemente hasta el 10% en peso, basado en el peso de hidroxiapatita.

El método para la preparación del material de hidroxiapatita mejorado comprende sinterizar la mezcla mencionada anteriormente de hidroxiapatita, vidrio biocompatible basado en CaO y P_{2}O_{5} y fuente de iones F^{-} a una temperatura de por encima de 1200ºC, preferentemente a una temperatura de 1250ºC a 1350ºC. La fuente de iones F^{-} puede ser, por ejemplo, incorporada en el vidrio biocompatible antes de la sinterización. Generalmente, la mezcla que debe sinterizarse estará en una forma de partículas muy fina, teniendo las partículas un tamaño de partícula menor de 100 micrómetros, preferentemente menor de 75 micrómetros, más preferentemente menor de 10 micrómetros.

Los materiales de hidroxiapatita mejorados de la presente invención, han mejorado las propiedades mecánicas en comparación con hidroxiapatita sin la fuente de adición de iones F^{-}. Se cree que los iones F^{-} se difunden en la estructura y son intersticiales en la estructura del compuesto, como se indica por un aumento en las dimensiones de célula unidad como se mide por difracción de rayos-X.

Los materiales de la presente invención pueden incrementar también la proliferación in vitro de células de osteoblastos, como se demuestra por las células en crecimiento directamente sobre la superficie del material y midiendo el número de células en diferentes instantes de tiempo.

Las hidroxiapatitas mejoradas de la presente invención pueden utilizarse en cualquiera de las aplicaciones dentales y médicas para las que se han utilizado previamente hidroxiapatita no modificada o hidroxiapatita modificada con vidrio. Pueden existir también campos dentales y médicos adicionales en los que pueden utilizarse los compuestos de hidroxiapatita de la presente invención, que no están abiertos a la hidroxiapatita no modificada. Los ejemplos de campos donde pueden utilizarse los materiales de hidroxiapatita mejorada de la presente invención son como implantes óseos, donde puede utilizarse un implante del material de hidroxiapatita mejorada, o como substancias de relleno óseas donde puede utilizarse una composición en polvo como un material de relleno.

La presente invención incluye también dentro de su alcance una composición que comprende un material de hidroxiapatita mejorado como se define de aquí en adelante junto con un diluyente o soporte farmacéuticamente aceptable. Tales composiciones encuentran uso como cementos óseos o cementos dentales. Se apreciarán fácilmente por los técnicos en la materia otras aplicaciones de los materiales de hidroxiapatita mejorados de la presente invención en el campo médico o dental.

La presente invención se describirá adicionalmente con referencia a los siguientes Ejemplos.

Ejemplo de Preparación 1

Se produjeron vidrios basados en fosfato a partir de productos químicos de grado reactivo calentados a 1300ºC en un crisol de alúmina durante 1 hora. Se prepararon las composiciones en porcentaje en moles.

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Ejemplo 1

Cada vidrio fue reducido enormemente hasta una partícula de tipo arena y triturado en una olla de un molino de bolas de porcelana durante 24 horas. Después de la trituración su tamaño de partícula fue menor de 100 micrómetros y su tamaño medio de partícula D0,5, fue de 6 a 9 micrómetros de acuerdo con análisis de Laser Diffraction utilizando un Malvern Mastersizer Ms-20. Al polvo de hidroxiapatita fue añadido cada uno de los polvos de vidrio, en cantidades de 2,5% y 4,0% en peso, con metanol (350 ml de metanol/200 g de material) y los polvos fueron triturados húmedos juntos durante 24 horas más. Siguiendo el proceso de trituración, la colada fue vertida y se secó en horno. El polvo seco fue entonces tamizado automáticamente hasta un tamaño de partícula de menos de 75 micrómetros.

Se llevaron a cabo perfiles de distribución del tamaño de partícula después de la trituración.

Discos de 30 mm de diámetro, que utilizan 4g de polvo, fueron presionados en dirección uniaxial a 288 MPa y quemados a una velocidad en pendiente de 4ºC/min, de hasta 1200ºC hasta 1350ºC, con un tiempo de mantenimiento de 1 hora a esta temperatura, seguido por la refrigeración natural dentro del horno.

Las resistencias de plegamiento por flexión para las composiciones se dan en la Tabla 1 siguiente.

Las mediciones de resistencia al plegamiento por flexión para cada muestra desde un ensayo de flexión biaxial de 4 puntos en una plantilla anular concéntrica con una cubierta de soporte de 20 mm y una cubierta de carga de 10 mm a una velocidad de cabeza transversal de 5 mm/min sobre 10 especimenes.

El ensayo anular concéntrico elimina muchos de los problemas asociados con la fractura debido a los bordes de las muestras, aunque ofrece resultados inferiores cuando se compara con los ensayos de flexión convencional. Las mediciones de tenacidad a la fractura fueron realizadas utilizando una técnica de indentación propuestas por Laugier, J. Mater. Sci., 1987, 6, 355-356, utilizando una carga de 9,8 N.

Los materiales fueron caracterizados por Difracción de Rayos-X (XRD) y su microestructura analizada utilizando SEM. Los ensayos in vitro fueron llevados a cabo en una solución salina tamponada con fosfato y las muestras fueron sometidas a ensayo para resistencia a la flexión después de 1 mes.

El análisis SEM mostró que los materiales de hidroxiapatita/vidrio fueron muy densos cuando se sinterizaron a 1250ºC, o por encima.

(Tabla pasa a página siguiente)

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TABLA 2 Valores de dureza para los diferentes compuestos (en kg/mm^{2} o HV)

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TABLA 3 Valores de dureza para los diferentes compuestos (en kg/mm^{2} o HV)

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Los valores de dureza se dan en la Tabla 2 siguiente. La dureza fue medida utilizando indentación Vickers, carga 300 g. Los porcentajes de las mediciones de densidad teórica se dan en la Tabla 3 siguiente. Los valores en la Tabla 3 se calculan tomando los datos de un análisis de fases y utilizando los valores para la densidad teórica de la HA, fases \alpha-TCP y \beta-TCP, la densidad teórica se calcula desde Ritveld. La densidad real para los especimenes se mide utilizando el principio de Arquímedes en mercurio líquido, y se calcula el porcentaje de la densidad teórica.

Se alcanzó una mejora considerable en la resistencia a la flexión por la incorporación de la fuente de iones F^{-} durante la sinterización de hidroxiapatita.

Fue detectado un ligero aumento en el peso de las muestras después de la inmersión en la solución salina durante 1 mes, lo que estaba relacionado con la precipitación de los cristales sobre la superficie de los materiales. No se encontraron cambios en la resistencia a la flexión después de 1 mes.

Claims

1. Un material de hidroxiapatita mejorada sinterizada que comprende hidroxiapatita (Ca_{10}(PO_{4})_{6}(OH)_{2}), un vidrio biocompatible basado en Ca y P_{2}O_{5} contenido en una cantidad de menos del 10% en peso, basado en el peso de hidroxiapatita, y una fuente de iones F^{-}.

2. Un material como se indica en la reivindicación 1, donde la fuente de iones F^{-} es un fluoruro de metal alcalino o metal alcalino-térreo.

3. Un material como se indica en la reivindicación 2, donde la fuente de iones F^{-} es CaF_{2}, NaF o MgF_{2}.

4. Un material como se indica en la reivindicación 3, donde la fuente de iones F^{-} es CaF_{2}.

5. Un material como se indica en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde la fuente de iones F^{-} es incorporada en el vidrio biocompatible.

6. Un material como se indica en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde los iones F^{-} están contenidos en una cantidad de hasta 5% en peso basado en el peso de hidroxiapatita.

7. Un material como se indica en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el vidrio biocompatible está contenido en una cantidad de 2,5% a 5,0% en peso basado en el peso total de hidroxiapatita.

8. Un material como se indica en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el vidrio biocompatible es un vidrio de CaO-P_{2}O_{5} de dos óxidos.

9. Un material como se indica en la reivindicación 8, donde el vidrio tiene una relación molar de CaO:P_{2}O_{5} de aproximadamente 50:50.

10. Un material como se indica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, donde el vidrio biocompatible es un vidrio CaO-P_{2}O_{3}-Na_{2}O de tres óxidos.

11. Un material como se indica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, donde el vidrio biocompatible es un vidrio CaO-P_{2}O_{5}-Na_{2}O-Al_{2}O_{3} de cuatro óxidos.

12. Un método para la preparación de un material como se indica en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende sinterizar una mezcla de hidroxiapatita, un vidrio biocompatible basado en CaO y P_{2}O_{5}, y una fuente de iones F^{-} a una temperatura por encima de los 1200ºC.

13. Un método como se indica en la reivindicación 12, donde la fuente de iones F^{-} es incorporada en el vidrio biocompatible antes de la sinterización.

14. Un método como se indica en la reivindicación 12 ó 13, donde la sinterización se lleva a cabo a una temperatura de 1250ºC a 1350ºC.

15. Un método como se indica en cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, donde la mezcla de hidroxiapatita, vidrio biocompatible y fuente de iones F^{-} tiene un tamaño de partícula menor de 75 micrómetros.

16. Un implante óseo o substancia de relleno ósea que comprende un material como se indica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11.

17. Una composición que comprende un material como se indica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, junto con un diluyente o soporte farmacéuticamente aceptable.

18. Una composición como se indica en la reivindicación 17, que es un cemento óseo o un cemento dental.

19. Un material como se indica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, o una composición como se indica en la reivindicación 17 u 18, para uso en un método de tratamiento del cuerpo humano o animal por cirugía o terapia.